(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線方向の両端に開口部を有する複数の環状体を該軸線方向に配列し、相互の開口部同士を溶接によって接合して超伝導加速空洞を製造する超伝導加速空洞の製造方法であって、
前記超伝導加速空洞の内側を真空吸引して真空雰囲気を形成する真空工程と、
前記環状体の接合が前記真空雰囲気とされた前記超伝導加速空洞の内側からレーザ光を用いた溶接によって行われるレーザ光溶接工程と、
前記レーザ光溶接工程に先立って前記超伝導加速空洞の外側から非貫通溶接が行われる非貫通溶接工程と、
を有し、
前記レーザ光溶接工程では、前記非貫通溶接工程にて真空容器とされた前記超伝導加速空洞に密閉された内部空間のみに前記真空雰囲気を形成することを特徴とする超伝導加速空洞の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導加速空洞の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超伝導加速空洞は、軸線方向に配列された複数の部材が接合されて形成される。従来、この接合は不純物の混入が少ないので、真空雰囲気中で電子ビーム溶接によって行われていた。
また、たとえば、特許文献１に示されるようなアルゴン雰囲気でレーザ溶接を用いて超伝導加速空洞の接合を内側から行うものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３９５９１９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従来の電子ビーム溶接では、超伝導加速空洞を駆動する駆動系、電子銃等が真空雰囲気中に入っているので、真空容器の容積が大きく装置が大型化し高価となる。真空容器の容積が大きいため真空雰囲気を形成するのに時間がかかるので、作業時間が長くなり作業コストが高くなるという課題がある。
また、特許文献１に示されるアルゴン雰囲気中でレーザ溶接を行うものでは十分な性能がでない可能性がある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑み、コンパクトな装置構成で、安価に高品質の超伝導加速空洞を製造できる超伝導加速空洞の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる超伝導加速空洞の製造方法は、軸線方向の両端に開口部を有する複数の環状体を該軸線方向に配列し、相互の開口部同士を溶接によって接合して超伝導加速空洞を製造する超伝導加速空洞の製造方法であって、前記超伝導加速空洞の内側を真空吸引して真空雰囲気を形成する真空工程と、前記環状体の接合が前記真空雰囲気とされた前記超伝導加速空洞の内側からレーザ光を用いた溶接によって行われるレーザ光溶接工程と、前記レーザ光溶接工程に先立って前記超伝導加速空洞の外側から非貫通溶接が行われる非貫通溶接工程と、を有し、前記レーザ光溶接工程では、前記非貫通溶接工程にて真空容器とされた前記超伝導加速空洞に密閉された内部空間のみに前記真空雰囲気を形成することを特徴とする。
【０００７】
本発明によると、超伝導加速空洞を構成する環状体の接合は、真空雰囲気とされた超伝導加速空洞の内側からレーザ光を用いた溶接によって行われる。
このように、溶接手段が超伝導加速空洞の内部に設けられているので、真空雰囲気を形成する範囲が超伝導加速空洞を覆う狭い範囲に限定される。これにより、コンパクトな装置構成で接合が行えるので、安価な設備とすることができる。また、真空雰囲気の範囲が狭いので、真空雰囲気の形成が短時間で行うことができる。このため、作業時間が短縮できるので、作業コストを安価にできる。さらに、高真空とすることが容易であるので、高真空で溶接を行える。これにより、高品質の超伝導加速空洞を製造できる。
【０００８】
本発明では、前記超伝導加速空洞の内側を真空吸引して真空雰囲気を形成することが好ましい。
【０００９】
このようにすると、レーザ光による溶接作業時に発生するガス等の異物を直接かつ常時吸引して排出することができる。これにより、ガス等の異物が超伝導加速空洞の内表面に付着することを抑制できるので、高品質の超伝導加速空洞を製造できる。
【００１０】
本発明では、前記超伝導加速空洞の内側からのレーザ光による溶接に先立って外側から非貫通溶接を行うことが好ましい。
【００１１】
このように、接合部が外側から非貫通溶接されると、超伝導加速空洞に密閉された内部空間を形成することができるので、超伝導加速空洞自体を真空容器として用いることができる。超伝導加速空洞の内部空間を真空吸引することによって真空雰囲気を形成できるので、容易に高真空を得ることができる。これにより、高真空でレーザ溶接が行えるので、高品質の超伝導加速空洞を製造できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、溶接手段が超伝導加速空洞の内部に設けられているので、コンパクトな装置構成で、安価な設備とすることができる。また、真空雰囲気の範囲が狭いので、作業時間が短縮でき、作業コストを安価にできる。さらに、高真空とすることが容易であるので、高品質の超伝導加速空洞を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態にかかる加速空洞の製造方法を実施する溶接装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる加速空洞の製造方法の一工程を示す部分断面図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる加速空洞の製造方法の別の一工程を示す部分断面図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる加速空洞の製造方法を実施する別の溶接装置の概略構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明にかかる超伝導加速空洞の製造方法の一実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。
図１には、本発明の一実施形態にかかる加速空洞（超伝導加速空洞）の製造方法を実施する溶接装置の概略構成が示されている。図２は、本実施形態にかかる加速空洞の製造方法の一工程を示す部分断面図である。図３は、本実施形態にかかる加速空洞の製造方法の別の一工程を示す部分断面図である。
【００１５】
加速空洞（超伝導加速空洞）１は、図１に示されるように、中央部が膨らんだ円筒形状のセル３が、たとえば、５個組み合わされた構造体である。加速空洞１は、たとえば、超伝導材料であるニオブ材を曲げ加工、プレス成型加工して、セル３が軸線方向で２分割されたハーフセル（環状体）５が形成される。ハーフセル５は、軸線方向Ｌにおいてセル３の最も膨らんだ部分である赤道部９と最も引っ込んだ部分であるアイリス部１１との間に延在している。ハーフセル５は、その両端部、すなわち、赤道部９およびアイリス部１１に対応する部分に開口部が形成された環状部材である。
【００１６】
複数のハーフセル５が赤道部９同士あるいはアイリス部１１同士が重なるように軸線方向Ｌに配列され、接触した部分が接合されることによって加速空洞１が形成される。
環状体としてはハーフセル５に限定されるものではなく、セル３、２個のハーフセル５がアイリス部１１で一体とされた形態、あるいはその他種々の形態が用いられる。
【００１７】
図１に示されるように溶接装置７には、加速空洞１の変形を防止するように拘束する保持部材１３と、加速空洞１の内部を真空吸引する真空吸引部材１５,１７と、加速空洞１の内部に設置されるレーザ出力装置１９とが備えられている。
【００１８】
保持部材１３には、加速空洞１の両端部を強固に保持する一対の保持板２１と、一対の保持板２１間を連結し、その間隔を維持する複数の拘束シャフト２３と、が備えられている。拘束シャフト２３は、加速空洞１の構成材料と線膨張係数が近い材料で形成されている。たとえば、加速空洞１がニオブ材で形成されている場合、拘束シャフト２３はニオブとジルコニウムとの合金、あるいはチタン材等で形成されている。
【００１９】
真空吸引部材１５，１７には、真空ポンプ２５，２７と、真空ポンプ２５，２７および加速空洞１の内部を連通させる吸引配管２９，３１と、吸引配管２９，３１を開閉させる開閉弁３３，３５とが備えられている。
吸引配管２９は、加速空洞１の一端側のフランジ部に接続され、吸引配管３１は他端側のフランジ部に接続される。
【００２０】
レーザ出力装置１９には、加速空洞１の軸線中心を通るように配置され、吸引配管２９，３１に軸線中心回りに自転可能に取り付けられた回転軸３７と、図示しないレーザ光出力用のレーザ光学系が格納されたレーザ出力部３９と、が備えられている。
回転軸３７は図示しない駆動装置によって軸線中心回りに回転させられる。
レーザ出力部３９は回転軸３７に、回転方向の移動は拘束され、軸線方向Ｌには移動できるように取り付けられている。レーザ出力部３９は、真空雰囲気中に位置するので、内部に格納されたレーザ光学系のミラーは冷却されるようにされている。レーザ光学系には、外部の図示しない光源から、たとえば、光ファイバを経由して光が供給されるようにされている。
【００２１】
本実施形態における加速空洞の製造方法では、まず、複数のハーフセル５が積み重ねられた状態で、図２に示されるように接合部である各赤道部９および各アイリス部１１が外周側から非貫通溶接４１が行われる。これにより、加速空洞１の内部空間は密閉された状態とされる。
この外周側の非貫通溶接４１は、アルゴン雰囲気下でレーザ溶接されてもよいし、その他公知の溶接手段で行うことができる。
【００２２】
この状態で、加速空洞１は溶接装置７に搬入され、両端部が保持板２１に強固に取り付けられる。保持板２１間の間隔を保持するように保持板２１に拘束シャフト２３が取り付けられる。
吸引配管２９，３１が加速空洞１の内部空間と連通するように取り付けられる。同時に、回転軸３７およびレーザ出力部３９が加速空洞１の内部空間の所定位置に位置するように取り付けられる。
【００２３】
この状態で、真空ポンプ２５，２７を作動し加速空洞１の内部空間を真空吸引し、たとえば１×１０−４Ｐａ程度の圧力とする。このように加速空洞１自体を真空容器として用いることができるので、真空容器を別途準備する必要が無くなる。これにより、装置構成を簡略化でき、かつ、コンパクトな装置構成で接合が行えるので、安価な設備とすることができる。
また、加速空洞１の内部空間という限られた範囲を真空吸引することによってレーザ溶接用の真空雰囲気を形成できるので、容易に高真空を得ることができる。
このように、真空雰囲気の形成を短時間で行うことができるので、作業時間が短縮でき、作業コストを安価にできる。
【００２４】
加速空洞１の内部空間の真空度が所定値になると、レーザ出力装置１９による溶接作業が開始される。
レーザ出力部３９の位置を接合部に合わせ、図示しない光源から供給される光をレーザ光学系によりレーザ光をハーフセル５の接合部に供給し、図１に示されるように接合部である各赤道部９および各アイリス部１１が内周側から非貫通溶接４３が行われる。
このとき、回転軸３７を回転させることにより、加速空洞１の内周面全周に亘って非貫通溶接４３を施すことができる。
【００２５】
１箇所の溶接が終わると、レーザ出力部３９を回転軸３７に沿って移動させる。レーザ出力部３９が次の接合部へ位置させられ、同様にレーザ溶接が実施される。
これを繰り返して全ての接合部が溶接されると溶接作業が終了となる。
真空雰囲気となるのが加速空洞１の内部空間のみと狭い容積であるので、高真空とすることが容易である。高真空で溶接を行えるので、高品質の超伝導加速空洞を製造できる。
【００２６】
溶接作業中も真空ポンプ２５，２７は吸引動作をしているので、レーザ光による溶接作業時に発生するガス等の異物を直接かつ常時吸引して排出することができる。
これにより、ガス等の異物が加速空洞１の内表面に付着することを抑制できるので、高品質の超伝導加速空洞を製造できる。
【００２７】
本実施形態では、外周側の溶接が完了し、一体とされた加速空洞１が溶接装置７に搬入されているが、これは溶接装置７で溶接するようにしてもよい。
たとえば、ハーフセル５を積み重ねた状態で保持部材１３に保持させ、外周側から溶接するようにしてもよい。
【００２８】
本実施形態では、外周側の溶接が完了し、加速空洞１が一体とされた後、加速空洞１の内部を真空雰囲気とし、内周側からの溶接を行っているが、これに限定されるものではない。
たとえば、図４に示されるように、保持部材１３に換えて加速空洞１が格納できる程度の空間を持つ真空容器４５を備えるようにしてもよい。
真空容器４５は、軸線が上下方向に延在する円筒形状をし、高さ方向の一部が上下方向に伸縮可能なジャバラ部４７とされている。真空容器４５の下端面は加速空洞１を挿入できるように大きく開口している。この開口部は吸引配管３１の端部によって密閉される。
【００２９】
ジャバラ部４７を挟んで上下に一対のブラケット４９が周方向に間隔を空けて複数対取り付けられている。上下一対のブラケット４９の間隔を拘束する拘束シャフト５１が備えられている。拘束シャフト５１は着脱可能とされている。
ジャバラ部４７は、加速空洞の上下方向の高さの変化に対応して伸縮するもので、加速空洞が設置されると、拘束シャフト５１を取り付けてジャバラ部４７の伸縮を制限する。
【００３０】
真空容器４５の内部を真空吸引する真空吸引部材５３が備えられている。真空吸引部材５３には、真空ポンプ５５と、真空ポンプ５５および真空容器４５の内部を連通させる吸引配管５７と、吸引配管５７を開閉させる開閉弁５９とが備えられている。
【００３１】
各ハーフセル５は積み重ねられた状態で、真空容器４５内に設置される。このとき、加速空洞１の高さの変動はジャバラ部４７の伸縮によって吸収される。
吸引配管２９，３１が加速空洞１の内部空間と連通するとともに真空容器４５を密閉するように取り付けられる。
同時に、回転軸３７およびレーザ出力部３９が加速空洞１の内部空間の所定位置に位置するように取り付けられる。
これらの作業が終わると、拘束シャフト５１が一対のブラケット４９間の間隔が変動しないように取り付けられる。
【００３２】
この状態で、真空ポンプ２５，２７，５５を作動し加速空洞１および真空容器４５の内部空間を真空吸引し、たとえば１×１０−４Ｐａ程度の圧力とする。
真空容器４５は加速空洞１の周囲を小さく覆う程度の大きさであるので、真空吸引する容積は狭い範囲に限定される。これにより、コンパクトな装置構成で接合が行えるので、安価な設備とすることができる。
また、真空雰囲気の範囲が狭いので、真空雰囲気の形成が短時間で行うことができる。このため、作業時間が短縮できるので、作業コストを安価にできる。さらに、高真空とすることが容易であるので、高真空で溶接を行える。これにより、高品質の超伝導加速空洞を製造できる。
【００３３】
加速空洞１の内部空間の真空度が所定値になると、レーザ出力装置１９による溶接作業が開始される。この場合は、接合部である各赤道部９および各アイリス部１１が内周側から貫通溶接が行われる。
このとき、回転軸３７を回転させることにより、加速空洞１の内周面全周に亘って貫通溶接が施される。
１箇所の溶接が終わると、上述の手順でレーザ出力部３９を次の接合部へ位置させ、同様にレーザ溶接が実施される。
【００３４】
溶接作業中も真空ポンプ２５，２７は吸引動作をしているので、レーザ光による溶接作業時に発生するガス等の異物を直接かつ常時吸引して排出することができる。
これにより、ガス等の異物が加速空洞１の内表面に付着することを抑制できるので、高品質の超伝導加速空洞を製造できる。
【００３５】
なお、図４に示される溶接装置によって外周側から非貫通溶接を行い一体化された加速空洞１を用いて、内周側から非貫通溶接を行うようにしてもよい。
このようにすると、加速空洞１の内外圧力差が小さくなるので、加速空洞１にかかる応力を無くすことができる。したがって、加速空洞１が変形する恐れを防止することができる。
【００３６】
なお、本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形を行ってもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１  加速空洞
３  セル
５  ハーフセル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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